Forskare hoppas kunna förstå ett av de mest bestående mysterierna inom kosmologin genom att simulera dess effekt på klustring av galaxer.

Det mysteriet är mörk energi – fenomenet som vetenskapsmän antar gör att universum expanderar i en allt snabbare takt. Ingen vet någonting om mörk energi, förutom att det kan vara, på något sätt, spränger i stort sett allt.

Under tiden, mörk energi har en lika skum kusin – mörk materia. Detta osynliga ämne verkar ha samlats runt galaxer, och hindrar dem från att snurra sig isär, genom att ge dem en extra gravitationskraft.

En sådan klustringseffekt konkurrerar med mörk energis accelererande expansion. Men att studera den exakta karaktären av denna tävling kan kasta lite ljus på mörk energi.

"Många mörk energimodeller är redan uteslutna med aktuella data, " sa Dr Alexander Mead, en kosmolog vid University of British Columbia i Vancouver, Kanada, som arbetar med ett projekt som heter Halo-modellering. "Förhoppningsvis kan vi i framtiden utesluta fler."

Gravitationslinser

För närvarande, det enda sättet som mörk materia kan observeras är genom att leta efter effekterna av dess gravitationskraft på annan materia och ljus. Det intensiva gravitationsfält som det producerar kan få ljus att förvrängas och böja över stora avstånd - en effekt som kallas gravitationell lins.

Genom att kartlägga den mörka materien i avlägsna delar av kosmos, forskare kan räkna ut hur mycket mörk materia klustring det finns – och i princip hur det klustringen påverkas av mörk energi.

Kopplingen mellan gravitationslinsning och klustring av mörk materia är inte enkel, dock. För att tolka data från teleskop, forskare måste hänvisa till detaljerade kosmologiska modeller – matematiska representationer av komplexa system.

Dr. Mead håller på att utveckla en klustringsmodell som han hoppas ska ha tillräcklig noggrannhet för att skilja mellan olika hypoteser om mörk energi.

"En analogi som jag gillar mycket är med turbulens. I turbulent vätskeflöde kan man prata om strömmar och virvlar, vilka är fina ord, men verkligheten om hur vätska i ett rör går från att flöda lugnt till att flöda på ett turbulent sätt är extremt komplicerat. "

Femte kraften

En av de mer exotiska teorierna är att mörk energi är resultatet av en hittills oupptäckt femte kraft, förutom naturens fyra kända krafter – gravitationen, elektromagnetism, och de starka och svaga kärnkrafterna inuti atomer.

En vanligare hypotes för mörk energi, dock, är känd som den kosmologiska konstanten, som lades fram av Albert Einstein som en del av hans allmänna relativitetsteori. Man tror ofta att det beskriver ett alltomfattande hav av virtuella partiklar som ständigt dyker upp i och ur existens i hela universum.

Ett sätt att utesluta den kosmologiska konstanta hypotesen, självklart, är att bevisa att mörk energi inte alls är konstant. Detta är målet för Dr. Pier Stefano Corasaniti från Paris Observatory i Frankrike, som – i ett projekt kallat EDECS – närmar sig klustring av mörk materia från ett annat håll.

Istället för att försöka modellera kluster från gravitationslinsdata, han börjar specifikt med en dynamisk – dvs. inte konstant – hypotes om mörk energi, och försöker förutsäga hur mörk materia skulle klusta sig om detta var fallet.

Att tänja på gränserna

Det finns, i princip, mörk energi kan variera på oändliga sätt i rum och tid, även om många teorier redan har uteslutits av existerande observationer. Dr Corasaniti fokuserar sina simuleringar på typer av dynamisk mörk energi som tänjer på kanterna av dessa observationsgränser, banar väg för tester med framtida experiment.

Simuleringarna, som spårar utvecklingen av många, "N-kropps" mörk materia partiklar, kräver superdatorer som körs under långa perioder, bearbeta flera petabyte (tusen miljoner miljoner byte) data.

"Vi har kört bland de största kosmologiska N-kroppssimuleringarna som någonsin har realiserats, " sa Dr Corasaniti.

Dr Corasanitis simuleringar förutspår att hur mörk energi utvecklas över tiden borde påverka mörk materia-klustring. Detta, i tur och ordning, förändrar effektiviteten med vilken galaxer bildas på sätt som inte skulle vara fallet med konstant mörk energi.

Förutsägelserna som hans modeller gör skulle kunna testas med hjälp av kommande teleskop som Large Synoptic Survey Telescope i Chile och Square Kilometer Array i Australien och Sydafrika, samt av satellituppdrag som Euclid (European Cooperation for Lightning Detection) och WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope).

"Om mörk energi visar sig vara ett dynamiskt fenomen kommer detta att ha en djupgående implikation inte bara på kosmologi, men på vår förståelse av fundamental fysik, " sa Dr Corasaniti.